Sensortechnik
Leck
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Sascha Gaubatz
Sascha Gaubatz
Kartei Details
| Karten | 61 |
|---|---|
| Sprache | Deutsch |
| Kategorie | Elektrotechnik |
| Stufe | Grundschule |
| Erstellt / Aktualisiert | 17.01.2013 / 15.03.2021 |
| Weblink |
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Erläutern Sie die Funktionsweise einer Feldplatte (Skizze!). Welche Messgrö-‐ ße wird ausgewertet?
• Hierbei handelt es sich um einen magnetfeldgesteuerten Widerstand. Er basiert auf dem Hall-‐Effekt. • In das Grundmaterial des Hallplättchens werden zusätzlich quer zur Stromrich-‐ tung orientierte, metallisch gut leitende Nadeln eingelagert. • Durch die daraus resultierenden Strombahnverschiebungen kommt es bei einem anliegenden Magnetfeld zu starken Widerstandsänderungen. • Durch die gutleitenden Nadeln wird der Stromweg erheblich länger, da die durch die abgelenkten Elektronen entstandenen Hallspannungen sofort kurzgeschlos-‐ sen werden. • Es können extrem schnelle Feldänderungen detektiert werden. Bis zu 10GHz • Die zu messende Größe ist der Widerstand. Er ist proportional zu B2.
Erläutern Sie die Funktionsweise eines GMR-‐Sensors (Skizze!). Welche Mess-‐ größe wird ausgewertet?
• Hierbei handelt es sich um einen quantenmagnetischen Effekt. • Der GMR-‐Sensor ist hochempfindlich und liefert eine magnetfeldabhängige Wi-‐ derstandsänderung. • Der Widerstand fällt mit steigendem Feld. • In ultradünnen Schichten aus magnetischen und nichtmagnetischen Materialen erfährt ein durchgeleiteter Strom in Abhängigkeit der Orientierung der magneti-‐ schen Schichten eine Widerstandsänderung. • Ohne Magnetfeld sind die Schichten durch Spinkopplung antiparallel ausgerich-‐ tet. • Durch die unterschiedliche Streuung der durch ihre Spinzustände charakterisier-‐ ten Elektronen stellt sich ein hoher Widerstand ein. • Bei anlegen eines äußeren Magnetfeldes richten sich die Schichten parallel aus und der Widerstand sinkt.
Skizzieren Sie ein typisches Anwendungsbeispiel für den Einsatz von Feldplat-‐ ten zur Aufnahme von Drehbewegungen ohne bewegte Magnete.
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Was versteht man unter dem „Inversen piezoelektrischen Effekt“?
• Unter dem inversen Piezoelektrischen Effekt versteht man, das umgekehrt pro-‐ portionale Verhältnis zwischen einer Kraft (mechanischer Verzerrung) und der Verschiebung der elektrischen Dipole an der Kristallaußenseite. • Der Effekt kommt zustande, wenn man eine Spannung zur Kristalldeformation anlegt
Beschreiben Sie das Funktionsprinzip eines Piezowandlers beim Senden und beim Empfangen von Ultraschall-‐Wellen.
• Beim Senden wird der inverse Piezo-‐Effekt ausgenutzt • Beim Empfangen wird der Piezoeffekt ausgenutzt
Warum sollten US-‐Wandler nicht in Ex-‐geschützen Bereichen verwendet wer-‐ den?
• Weil die erforderlichen Spannungen um den Kristall anzuregen, bei mehreren 100V (Hochspannung) liegen können.
Nach welchen Prinzipien erfolgt die Wegmessung mit US-‐Wandlern? Was ist bei bewegten Objekten zu beachten?
• Die Wegmessung erfolgt bei US-‐Wandlern über die Laufzeit. • Bei bewegten Objekten ist der Dopplereffekt zu beachten.
Welche Maßnahmen werden bei US-‐Wandlern getroffen, um die Problematik des „Echos vom Echo“ zu lösen?
• Um sicherzustellen, dass es zu keinem „Echo vom Echo“ kommt wird die 5-‐fache Zeit gewartet bis ein neues Echo ausgesendet wird. • Nach der 5 fachen Zeit ist die Intensität des 5 Echo so gering, dass es problemlos von dem neuen unterschieden werden kann.
Nennen Sie zwei Möglichkeiten, um die gegenseitige Beeinflussung von sich gegenseitig „sehenden“ US-‐Wandlern auszuschalten (Schlagworte und Erklä-‐ rung!).
• Synchronisation: o • Multiplexverfahren: o
Geben Sie eine typische OPV-‐Schaltung zur belastungsfreien Spannungsab-‐ nahme am Schleifer eines Linearpotentiometers an (Skizze Poti mit OPV).
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Welche technische Lösung wird bei hermetisch gekapselten Linearpotentio-‐ metern realisiert, um eine berührungslose Betätigung des Schleifers zu er-‐ möglichen?
• Die hermetisch gekapselten Linearpotentiometer sind mit Magnetkupplungen versehen. Dadurch können Sie auch berührungslos geschaltet werden.
Beschreiben Sie das Funktionsprinzip eines LVDT’s. Warum ist das Ausgangs-‐ signal nicht eindeutig? Durch welche Maßnahme wird dieser Mangel beho-‐ ben?
• Das Funktionsprinzip beruht auf der Veränderung der Kopplung von drei Spulen => Transformatorprinzip • Die Primärwicklung wird mit einer (Erregerspannung oder Primärspannung) ge-‐ speist. • Diese Wechselspannung wird über den Kern in die beiden Sekundärwicklungen induziert. (Phasenverschiebung beachten!!!) • In Abhängigkeit von der Stellung des Kerns verändert sich die Ausgangsspan-‐ nung • Schaltung à Synchroner Demodulator
Welches ist der Hauptvorteil eines LVDT’s mit ungeführtem Anker gegenüber den anderen Ausführungen?
• Bei exakter Justierung längst der Bohrung => reibungsfreies System • Keine Losbrechkräfte • Kraftfreie Bewegung
Welche Einschränkungen sind bei der Verwendung eines LVDT-‐Tasters zur Erfassung dynamischer Vorgänge zu beachten?
• Grenzfrequenz beschränkt die Verwendung des Taster • Die Abtastung muss soweit reduziert werden bis keine Resonanzen mehr „in der Nähe“ sind
Lichtschranken werden i.d.R. mit LED’s als Lichtquellen betrieben. Durch wel-‐ che technische Maßnahme lässt sich deren Bandabstand – und damit der ver-‐ wendbare Spektralbereich – verändern?
• Der Bandabstand und der damit verwendete Spektralbereich lassen sich nur durch verschiedene Halbleitermaterialien verändern. o Galliumphosphid (GaP) o Alluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) o Indiumgalliumarsenid (InGaN)
Nennen Sie mindestens drei Vorteile, einer LED gegenüber einer Glühlampe.
• Niedrige Energie • Hohe Lebensdauer • Effektiver (heller) • Kleiner
In welcher Betriebsart (Arbeitspunkt) liefert eine Fotodiode ein der Bestrah-‐ lungsstärke proportionales Signal (ggf. Skizze des 4-‐Quadranten-‐Diagramms)?
• Im Kurzschlussfall (blau) liefert die Fotodiode einen über viele Zehnerpotenzen linear von der Beleuchtungsstärke abhängigen Strom. • Über einen Impedanzwandler kann der Strom dann in eine proportionale Span-‐ nung umgewandelt werden.
In welchem Fall ist es erforderlich, eine Fotodiode mit Vorspannung in Sperr-‐ richtung zu betreiben?
• Wenn man eine schnelle Reaktionszeit benötigt (ultraschnelle Laserblitze) • Das Anlegen der Sperrspannung führt zu: o Verringerung der Sperrschichtkapazität Cs o einer Verstärkung des Fotostroms o Ansteigen des Reststroms § Verschlechterung der Linearität
Erläutern Sie den Unterschied zwischen Lichtschranken und Lichttastern!
• Lichtschranke: erfassender Sensor (Nur ein Bit) • Lichttaster: messender Sensor à Lichtmenge am Ausgang à muss im Einzelfall kalibriert werden
Welches sind die Vorteile und Nachteile von Einweg-‐Lichtschranken gegen-‐ über Reflex-‐Lichtschranken?
• Vorteil: sehr hohe Entfernungen • Nachteil: aufwendige/komplexe Justierung/Ausrichtung 18.
Was versteht man unter dem Begriff „Funktionsreserve“ beim Einsatz von Lichtschranken? Welche technischen Maßnahmen werden beim Schaltungs-‐ design ergriffen um diese zu realisieren?
• Der Begriff „Funktionsreserve beschreibt die Fähigkeit einer Lichtschranke, auch bei Verschmutzung, geringer Dejustage der Strahlführung, ungünstigen Objektre-‐ flexionen etc. funktionsfähig zu bleiben. • Bei dem Schaltungsdesign wird zum Beispiel eine dynamische Verstärkungsregu-‐ lierung eingesetzt. Welche die oben genannten Mängel ausgleicht. Zugleich wird ein Signal über das System an Nutzer gesendet (Reinigung/Neujustage). • Des Weiteren werden heute LED’s im roten sichtbaren Bereich eingesetzt und nicht wie früher IR-‐LED’s
Warum werden als Reflektoren für Reflex-‐Lichtschranken keine einfachen Spiegel eingesetzt? Welche Arten von Reflektoren für Lichtschranken kennen Sie? Beschreiben Sie das Funktionsprinzip.
• Bei einfachen Spiegeln ist das Problem, dass die Spiegel nicht orthogonal sind. Das Signal wird also nach der Reflexion nicht zurück auf den Detektor reflektiert. • Abhilfe schafft der Tripple-‐Reflektor: o Dieser arbeitet nicht nach dem Spiegelprinzip, sondern nach dem Prinzip der totalen Reflexion. o Reflexionselemente sind dreiseitige Glas-‐ oder Kunststoffpyramiden, wel-‐ che in einer symmetrischen Matrix angeordnet sind. o Üblicher Weise auch Oberflächen, welche dicht mit feinen Glaskugeln be-‐ legt sind. • Der Vorteil des Triple-‐Reflektors liegt darin, dass geringe Winkelversätze senk-‐ recht zur Strahlrichtung ausgeglichen werden können.
Wie vermeidet man bei der Detektion hochglänzender Objekte Fehlschaltun-‐ gen? Skizzieren Sie den erforderlichen Strahlengang sowie ggf. zusätzlich notwendige Elemente und erläutern Sie deren Funktion.
• Glänzende Oberfläche führen in Reflexionsschranken zu Fehlschaltungen, da sie genau so viel Licht reflektieren wie der Tripelreflektor. • Deshalb wird mit polarisiertem Licht gearbeitet. • Funktion: o Der Polarisator erzeugt Licht in einer Schwingungsebene. o Am Tripelfilter bleibt die Polarisation erhalten es wird aber um weitere 90° gedreht. o Der Analysator erhält solange „richtiges“ Licht, bis durch ein Streuobjekt beliebig polarisiertes Licht erzeugt wird. o Der richtige Lichtanteil ist auf Grund der Gleichverteilung der Schwin-‐ gungsrichtungen zu gering à Das Objekt wird erkannt.
Nachteil beim Einsatz von Reflextastern ist deren Fremdlichtanfälligkeit. Wie wird dieses Problem technisch gelöst? Nennen Sie zwei Möglichkeiten!
• Es werden modulierte Lichtquellen eingesetzt. • Hintergrundausblendung durch Multidetektorsysteme (Triangulation).
Einfache Inkrementalgeber können Prinzip bedingt keine Richtungsinforma-‐ tionen ausgeben. Durch welche Erweiterung kann ein Richtungssignal erzeugt werden? Skizzieren und erklären Sie das Prinzip!
• Hier bei handelt es sich um das Doppelblendsystem. o Es werden zwei verschiedene Phasen erzeugt.
Was unterscheidet einen Drehgeber von einem Absolut-‐Drehgeber? Wie funk-‐ tioniert letzterer?
• Der Drehgeber muss immer wieder eine Referenzfahrt ausführen. • Der Absolut-‐Drehgeber ist dagegen Volloptisch o Bei diesem ist jeder Winkelposition ein eindeutig definierter Positions-‐ wert zugeordnet. o Die Abtastung erfolgt verschleißfrei über optische Elemente. o Das Licht einer Infrarot-‐Diode durchstrahlt eine drehbare Codescheibe aus Glas und eine feststehende Blende, ähnlich wie bei den Inkremen-‐ talsensoren. o Dahinter entsteht eine definiertes Hell-‐/Dunkelmuster, das von einem op-‐ tischen Array in elektrische Signale umgewandelt wird.
Erläutern Sie das Prinzip eines DMS. Geben Sie die Bestimmungsgleichung für den Widerstand R an. Welche physikalische Größe bestimmt im wesentlichen die Widerstandänderung a) beim Metall-‐DMS, b) beim HL-‐DMS? Wie heißt der Proportionalitätsfaktor, welcher zwischen ΔR/R ~ ΔI/I vermittelt? Nennen Sie typische Werte!
• Bestimmungsgleichung für: R= (L/A)*P= (4L/d^2*PI)*P • Von der Längenänderung (spezifischer Widerstand des Materials) • Der Proportionalitätsfaktor heißt k (Empfindlichkeitsfaktor) o Bei Metall-‐DMS bei ca. 2 o Bei HL-‐DMS bei ca. ± 100
Welches Trägermaterial wird bei DMS-‐Folien eingesetzt?
• Kapton – Polyimid
Geben Sie typische Werte für übliche Nennwiderstände an!
• Draht-‐DMS: 120Ω, 600Ω • Folien-‐DMS: 120Ω, 300Ω, 350Ω, 600Ω • HL-‐DMS: 120Ω, 600Ω
Was versteht man im Zusammenhang mit der Applikation von DMS unter „Kriechen“?
• Der DMS wird mit Kunststoff aufgeklebt. • Der Kunststoff relaxiert langsam zurück in seine Ausgangsposition. • Das nennt man Kriechen. • Wichtig bei statischen und quasistatischen Messungen.
Welche „Kleb“-‐Systeme sind bei hohen Arbeitstemperaturen im Bereich >600°C zur Applikation von z.B. Freigitter-‐DMS auf Metalloberflächen geeig-‐ net?
• Keramische Kitte o z.B. Zementmasse
Was versteht man unter einer Viertel-‐ und einer Halbbrücke? Geben Sie die jeweils prinzipiell erreichbaren maximalen Empfindlichkeiten an! (Ursa-‐ che/Wirkungsprinzip)
• Der grundlegende Unterschied ist: o Eine Viertelbrücke arbeitet mit einem Sensor o Eine Halbbrücke arbeitet mit zwei Sensoren • Sensoren immer gegenüber liegend anordnen, um max. Potenzialunterschied zu erreichen.
Skizzieren Sie die Applikation eines aktiven DMS und eines Temperatur-‐ Kompensations-‐DMS auf einem Biegebalken. Geben Sie die zugehörige Brü-‐ ckenschaltung mit Betriebs-‐ und Signalspannungen an. Ordnen Sie die Lagen der Brückenglieder denen der Applikationsskizze zu!
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Wie lassen sich Torsionskräfte mittels DMS messen? Skizzieren Sie eine ent-‐ sprechende Anordnung auf einer Welle!
• DMS die auf 45° zur Welle orientiert sind.
Skizzieren Sie das Prinzip einer einfachen Druckmessdose mit DMS!
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Was versteht man unter einer „seismischen Masse“? Bei der Bestimmung wel-‐ cher Messgröße tritt dieser Begriff auf? Wie funktioniert das Gesamtmess-‐ prinzip?
• Die seismische Masse ist die Grund-‐(Trägheits-‐)masse an einem piezoelektri-‐ schen Sensor. • Der eine Teil der zum Piezoscheibe ist mit der seismischen Masse verbunden. Der andere Teil mit einem starren Träger. • Wird diese Kombination nun in Schwingung versetzt, so wirkt über die seismi-‐ sche Masse eine Kraft auf die Piezoscheibe. • Durch den piezoelektrischen Effekt entsteht an den Elektronen eine Ladung, die proportional zur Kraft und damit auch zum Druck oder der Beschleunigung ist.
Nennen Sie drei physikalische Effekte, welche zur Temperaturbestimmung genutzt werden!
• Widerstandsänderungen in Metall • Widerstandsänderungen in Halbleitern • Widerstandsänderungen in Thermo-‐Elementen
Skizzieren Sie den prinzipiellen Verlauf R(T) eines Platinwiderstandes Pt100. Geben Sie die Werte für T=0°C im Diagramm an!
• Pt100 à 100Ω bei 0°C • In erster Näherung linearer Verlauf
Der Temperaturkoeffizient eines Pt100-‐Messfühlers beträgt α = 0,00385 K-‐1! Berechnen Sie den Widerstand bei 500°C!
• R(ϑ)=R0(1+αΔT) • R(ϑ)=100Ω(1+0.00385 K-‐1 500°C)=292,5 Ω
Skizzieren Sie den prinzipiellen Verlauf R(T) eines typischen Kaltleiters (PTC)! Bei welcher charakteristischen Temperatur (Begriff nicht Wert!) än-‐ dert sich sein Verhalten „sprunghaft“?
• Bei der Curietemperatur
